Ultrasuoni nei test sui materiali
Finora l'argomento riguardava le proprietà di base del suono e anche quelle del suono udibile. Con gli ultrasuoni i processi fisici sono gli stessi del suono udibile, ma con il primo le oscillazioni avvengono così rapidamente che non possono essere udite dall'orecchio umano. Considerando che il limite di udibilità è approssimativamente a 0,02 MHz, i test a ultrasuoni utilizzano frequenze comprese tra circa 0,5 MHz e 20 MHz (1 MHz = 1000 000 oscillazioni al secondo). Questa proprietà degli ultrasuoni, ossia che non possono essere né visti, né uditi né riconosciuti in altro modo dagli umani, certamente non semplifica la comprensione dei suoi effetti, ma ha il vantaggio che, durante i test, l'intensità del suono può essere selezionata a un livello così alto che sarebbe insopportabile se fosse nel range udibile dall’uomo. È giunto il momento di descrivere le oscillazioni ultrasoniche nel dettaglio. Qualsiasi mezzo solido, fluido o gassoso può essere fatto oscillare. Se le oscillazioni si verificano così rapidamente da superare il limite di udibilità umana, si parla di ultrasuoni. Sono in realtà le piccole particelle del mezzo (immaginate come interconnesse elasticamente) che oscillano. Il tipo di oscillazione è determinato dalle proprietà elastiche del mezzo e dall'impulso che lo fa oscillare. L'onda sonora si propaga nel mezzo a una velocità del suono. Si può descrivere l'oscillazione sonora come un movimento delle particelle nel materiale, ad esempio con la deviazione delle particelle = f (z, t) in funzione del luogo e del tempo o come una variazione della pressione sonora p = f (z, t) con posizione e tempo. Quando, riferendoci alla pressione sonora nelle prove sui materiali, intendiamo la pressione sonora che si alterna alle oscillazioni. La pressione sonora è così importante perché il potenziale elettrico generato da una piastra piezoelettrica U = f (z, t) è direttamente proporzionale alla pressione sonora dell'onda sonora impattante e viceversa. La Figura 14 mostra la propagazione del suono nei corpi fluidi, gassosi e solidi. Le particelle oscillano nella direzione di propagazione dell'onda. Tali oscillazioni sono chiamate onde longitudinali. Le particelle ben impacchettate comportano una deviazione minore, quindi un'alta velocità delle particelle e un'alta pressione sonora. Se le forze di taglio possono essere trasferite nei mezzi (il che avviene soprattutto nei solidi), le particelle possono anche vibrare trasversalmente alla direzione di propagazione dell'onda e per questo motivo sono note come onde trasversali (fig. 15). Tuttavia, questi casi ideali possono esistere solo in mezzi infiniti. Se durante una prova si verifica una riflessione ai confini esterni del campione, ad esempio in piastre, aste ecc. si sviluppano complicate formazioni d'onda miste: onde nella piastra, onde nell'asta (fig. 16) e onde superficiali. Le equazioni applicabili alle onde longitudinali e trasversali pure non si applicano ad esse. Tutti questi tipi di onde possono essere presenti contemporaneamente nel campione e rendono molto più difficile l'interpretazione delle indicazioni. I parametri più importanti della fisica degli ultrasuoni per le prove sui materiali sono:
Esistono le seguenti relazioni tra i diversi parametri:
La pressione sonora è allora proporzionale all'impedenza acustica Z, alla frequenza f e alla deviazione della particella E
La densità di potenza acustica J (intensità) è direttamente proporzionale all'impedenza acustica Z e al quadrato della frequenza f e della deviazione delle particelle. Sussistono le seguenti relazioni tra la velocità del suono e le proprietà elastiche:
